密集大扭轉(zhuǎn)角自由曲面葉柵電解加工陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

褚玉程，張明岐，程小元，雷廷玲

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

密集大扭轉(zhuǎn)角自由曲面葉柵電解加工陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

褚玉程，張明岐，程小元，雷廷玲

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

針對(duì)密集大扭轉(zhuǎn)角自由曲面葉柵電解加工，論述了單方向全覆蓋整體陰極的設(shè)計(jì)方法。大扭轉(zhuǎn)角葉柵電解加工陰極設(shè)計(jì)中存在電極覆蓋性不好、葉柵通道狹窄和電極通過性差等問題。采用優(yōu)化電極進(jìn)給方向與加工型面相結(jié)合的方式，預(yù)先設(shè)計(jì)多組不同厚度電極和不同余量葉片逆向?qū)ふ易罴训膮?shù)組合方式，并在UG軟件干涉模塊模擬下，驗(yàn)證優(yōu)化后電極的有效性。結(jié)果表明：電極進(jìn)給方向和加工型面共同優(yōu)化的方式能有效解決葉片自由曲面覆蓋性不好等問題。以最小電極厚度為初始值，逆向?qū)ふ液穸群陀嗔繀?shù)組合方式，不僅能縮短電極設(shè)計(jì)和路徑規(guī)劃的時(shí)間周期，而且能節(jié)省前期大量試驗(yàn)投入。

電解加工；電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；大扭轉(zhuǎn)角；密集型葉柵

為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，采用整體結(jié)構(gòu)以減輕自重、提高熱效率，已成為總體的技術(shù)趨勢(shì)。整體葉盤是典型的整體復(fù)雜構(gòu)件[1-2]，用鈦合金、高溫合金等難切削材料制造，其輪轂外緣分布著密集葉柵。整體葉盤葉型多為變截面、彎扭結(jié)合的自由曲面，且葉片數(shù)量眾多，葉柵通道狹窄。對(duì)于葉片尺寸大、葉柵通道狹窄、葉型扭轉(zhuǎn)程度高的整體葉盤，傳統(tǒng)機(jī)械銑削面臨的問題是因葉型曲率變化大，而使加工處于多約束狀態(tài)下[3]。在狹窄的通道內(nèi)，大直徑銑刀會(huì)產(chǎn)生干涉，而小直徑銑刀由于采用長(zhǎng)刀軸，剛性不足，加工時(shí)受力產(chǎn)生震顫，且需多向組合銑削，加工效率及精度均不理想。

電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解進(jìn)而去除材料的原理，將工件加工成形的工藝過程[4]。作為一種特種加工方法，電解加工具有加工范圍廣、表面質(zhì)量好、加工效率高、陰極無損耗及無殘余應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)。尤其是電解加工的對(duì)象不受材料物理、力學(xué)性能的限制，對(duì)鈦合金、高溫合金加工具有明顯的優(yōu)勢(shì)，常用于加工這種難加工材料的復(fù)雜型面葉片。但對(duì)于大尺寸、大扭轉(zhuǎn)角葉型，電解加工的陰極設(shè)計(jì)及進(jìn)給路徑設(shè)計(jì)等難度很大。陰極加工型面存在對(duì)大扭轉(zhuǎn)角自由曲面的葉片覆蓋性不好，型面易出現(xiàn)負(fù)角度倒鉤、葉柵通道狹窄、電極通過性差等問題。

本文將討論通過優(yōu)化電極進(jìn)給方向與優(yōu)化電極型面相結(jié)合的方式完成加工型面的全覆蓋；并針對(duì)葉柵通道狹窄問題，以最小電極厚度為初始值，預(yù)先設(shè)計(jì)多組電極和不同余量的葉片余量，采用干涉檢測(cè)和精確的電極運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃來逆向?qū)ふ易罴训膮?shù)組合，以保證電極在葉柵通道良好的通過性。通過這些方法解決密集大扭轉(zhuǎn)角葉柵電解加工的陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難題。

1 陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1是鈦合金整體葉盤的局部葉柵段，其葉型扭轉(zhuǎn)角為α=40°，葉片尺寸為80 mm×120 mm，葉柵間通道在葉根部只有L1=15 mm，葉尖處也只有L2= 30 mm，屬于典型的密集型大扭轉(zhuǎn)角三維立體自由曲面葉柵。

圖1 密集型自由曲面葉柵

對(duì)于帶有大扭轉(zhuǎn)角三維立體自由曲面葉片的電解加工，加工電極在機(jī)床滑枕的帶動(dòng)下作直線運(yùn)動(dòng)，并最終到達(dá)加工終點(diǎn)位置時(shí)，葉盆和葉背電極加工型面組合在一起能精確包容全葉型，滿足這個(gè)基本條件后，還要考慮保證電極型面與滑枕的進(jìn)給軸線的夾角處于90°～180°之間。電極加工型面不能出現(xiàn)負(fù)角度的倒鉤，不致產(chǎn)生干涉，使復(fù)雜葉型的電解加工在一次進(jìn)給中完成。

因此，針對(duì)大扭轉(zhuǎn)角葉型電解加工陰極設(shè)計(jì)，首先需確定包容扭轉(zhuǎn)葉型的全覆蓋投影角，來設(shè)定電極進(jìn)給方向范圍；第二，要確定葉盆型面與葉背型面的分離界線；第三，為保證電解加工型面不出現(xiàn)負(fù)角度的倒鉤，組合在一塊能全方位地覆蓋需加工葉片型面，要進(jìn)行電極進(jìn)給方向的精確調(diào)整設(shè)計(jì)；最后完成具有確定進(jìn)給方向的陰極加工型面設(shè)計(jì)。電極設(shè)計(jì)完成后，要有一定的強(qiáng)度和剛度，尤其是電極的剛度，需在承受加工過程中的電解液壓力時(shí)不會(huì)發(fā)生變形，不致出現(xiàn)加工過程的短路。

1.1 電極進(jìn)給方向與葉片自由曲面分型

葉片型面一般以一定數(shù)量n（n=1，2，3，…）的橫截面數(shù)據(jù)形式給出[5-6]，橫截面內(nèi)包含具體坐標(biāo)值，坐標(biāo)值擬合成閉合樣條曲線后形成最終自由曲面。橫截面閉合樣條曲線弦長(zhǎng)與絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)的角度β分布在20°～80°之間，通過綜合考慮截面數(shù)據(jù)的有效性，以及電極加工型面的扭轉(zhuǎn)給曲面擬合過程帶來的問題，確定電極進(jìn)給角度為142°（圖2a）。

以電極進(jìn)給方向作為基準(zhǔn)方向，作出與截面閉合樣條線圈相切的平行線，形成切點(diǎn)A和B，則A點(diǎn)和B點(diǎn)為葉片型面截面線圈的分離點(diǎn)，其中ACB構(gòu)成葉片型面的葉背型面，ADB構(gòu)成葉盆型面。則各個(gè)截面的分離點(diǎn)An（n=1，2，3，…）和Bn（n=1，2，3，…）分別構(gòu)成2條樣條曲線（圖2b），這2條樣條曲線即為葉片自由曲面分離線。

圖2 大扭轉(zhuǎn)角自由曲面葉片

1.2 大扭轉(zhuǎn)角自由曲面電極加工型面設(shè)計(jì)

根據(jù)法拉第定律，在電解加工過程中，工件作為電解加工的陽極在電場(chǎng)作用下得到電解液中的負(fù)離子發(fā)生溶解，正離子向工具陰極移動(dòng)。隨著電解過程的不斷進(jìn)行，陽極不斷溶解，為了維持電解加工間隙恒定，工具陰極會(huì)向陽極移動(dòng)。當(dāng)工具陰極移動(dòng)速度與陽極溶解速度相等時(shí)達(dá)到平衡，滿足如下基本方程[4]：

工件陽極的溶解速度和陰極進(jìn)給速度達(dá)到平衡時(shí)，相當(dāng)于陽極型面不是隨時(shí)間變化而是隨陰極進(jìn)給速度的變化而變化的。如圖3所示，沿著進(jìn)給方向、速度為v存在如下基本方程[4]：

在角度θ處的陽極溶解速度滿足：

在角度θ處的加工間隙滿足：

如圖3所示，選取以電極進(jìn)給方向?yàn)榛鶞?zhǔn)面P0，基準(zhǔn)面與葉片自由曲面的交線作為工件陽極的電位等勢(shì)線，也是最終加工達(dá)到的截面型線。以此為基礎(chǔ)，反計(jì)算出陰極在基準(zhǔn)面上的零電位等勢(shì)線的形狀。

圖3 法向進(jìn)給與θ處進(jìn)給關(guān)系[4]

根據(jù)圖4可分別取得葉片分型后的葉背、葉盆型面在基準(zhǔn)面P0內(nèi)的工件陽極電位等勢(shì)線PA0和PB0。根據(jù)cosθ法將上述2條樣條曲線代入基本方程式（1）～式（3）后，反向求出陰極的零電位等勢(shì)線的樣條曲線PCA0和PCB0，其具體過程見圖5。

圖4 工件陽極的電位等勢(shì)線選取

圖5 基面內(nèi)反求陰極電位等勢(shì)線示意圖

選取與基面平行等距離的截面Pi（i=0，1，2，…），如圖6所示，分別在Pi截面內(nèi)選取葉片的葉背型面和葉盆型面的陽極電位等勢(shì)線PAi和PBi，經(jīng)cosθ法反求出陰表面的電位等勢(shì)線PCA0和PCB0。擬合樣條線PCAi得到加工葉片自由曲面葉背陰極型面；擬合樣條線PCBi得到加工葉片自由曲面葉盆陰極型面。

圖7a是加工自由曲面葉片的葉背電極型面實(shí)物，以陰極表面的電位等勢(shì)線PCAi樣條線束擬合而成。圖7b是加工自由曲面葉片的葉盆電極型面實(shí)物，以陰極表面的電位等勢(shì)線PCBi樣條線束擬合而成。電極加工型面沒有負(fù)角度的倒鉤，不會(huì)出現(xiàn)阻礙帶有余量的葉片進(jìn)入兩塊電極之間的現(xiàn)象。

2 密集葉柵電解加工路徑規(guī)劃

整體結(jié)構(gòu)密集型葉柵電解加工的難點(diǎn)在于自由曲面葉片在輪盤上分布時(shí)形成的通道十分狹長(zhǎng)，且具有一定的扭轉(zhuǎn)角。加工電極必須因循葉片扭轉(zhuǎn)角度并配合機(jī)床多軸聯(lián)動(dòng)才能移動(dòng)至葉柵通道內(nèi)，進(jìn)而沿一個(gè)方向進(jìn)給，對(duì)葉片自由曲面進(jìn)行加工。實(shí)現(xiàn)上述行為的一個(gè)重要前提就是電極在介入的過程中不能發(fā)生干涉，因而對(duì)葉柵通道的初始狀態(tài)具有一定的要求。葉片的余量大小及均勻性會(huì)影響通道的尺寸，因此，在這種大扭轉(zhuǎn)葉片電解加工過程中，必須對(duì)能加工的葉片余量和電極厚度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，并對(duì)電極運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行精確的規(guī)劃。

圖6 葉片自由曲面與基準(zhǔn)面平行的截面電解加工陽極電位等勢(shì)線

圖7 加工電極三維模型

2.1 葉片余量與電極厚度參數(shù)組合

針對(duì)這種密集型帶有大扭轉(zhuǎn)角自由曲面葉柵的電解加工，在電極設(shè)計(jì)之初，就需確認(rèn)能加工的葉片所包含的余量和電極厚度參數(shù)的最佳組合。電極厚度過大或葉片殘留余量過多，都會(huì)導(dǎo)致電極無法順利送達(dá)加工位置；而電極厚度不足，又會(huì)導(dǎo)致電極強(qiáng)度和剛性不足，電解加工時(shí)無法承受電解液的反力，在電解液流場(chǎng)、電磁場(chǎng)作用的交變載荷沖擊下會(huì)產(chǎn)生彈性變形，一方面因?yàn)楦淖兞穗姌O的型面形狀而導(dǎo)致葉型的輪廓精度偏差，另一方面嚴(yán)重的不定量變形會(huì)直接導(dǎo)致陰極和陽極之間的短路，燒蝕電極型面，從而造成電解加工的中斷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使產(chǎn)品報(bào)廢。

考慮到加工葉片面積大，葉片的扭轉(zhuǎn)程度高，故需適度提高電解液壓力，設(shè)定為0.5～0.8 MPa。由于電解液的出口端為自由出口,電解液壓力降低為0，在此假設(shè)電解液壓力在電極加工型面上呈線性分布。電極材料為不銹鋼，電極厚度D=6 mm，其受力分析結(jié)果見圖8。受力分析結(jié)果云圖顯示，在線性分布的壓力下，電極最大變形為0.009 216 mm，滿足電極加工所能接受的最大變形誤差0.01 mm。

圖8 厚度D=6 mm的葉背電極受力變形云圖

因此，確認(rèn)加工該自由曲面電極，并分別設(shè)計(jì)厚度為6、6.5、7 mm的電極和余量為2.0、2.5 mm的葉柵（圖9），再對(duì)3組不同厚度的電極與2組不同余量的葉柵進(jìn)行干涉檢測(cè)和路徑規(guī)劃。為了便于密集葉柵防干涉檢驗(yàn)，余量葉柵只是陣列葉片的分布位置，葉盤沒有表示出來，增加了葉柵通透可視性。

圖9 不同電極厚度和葉片余量的組合

2.2 電解加工路徑規(guī)劃

整體葉盤加工在精密振動(dòng)電解加工機(jī)床上進(jìn)行，該機(jī)床具有X1、X2、Z、Y、C軸及可旋轉(zhuǎn)90°的B軸。因此，電極設(shè)計(jì)以五軸聯(lián)動(dòng)電解加工機(jī)床為基礎(chǔ)，規(guī)劃加工路徑。

將上述厚度分別為6、6.5、7 mm的電極和余量為2.0、2.5 mm的葉柵分別組合加載至UG防干涉檢驗(yàn)?zāi)K，并設(shè)置余量葉柵分別與電極葉背、葉盆之間的干涉檢測(cè)間隙為0.1 mm。

3 結(jié)果

3組不同厚度的電極和2組不同余量的葉柵構(gòu)成5組參數(shù)的組合（表1）。分別將每一組參數(shù)組合加載至UG軟件的干涉檢測(cè)模塊中。該參數(shù)組合包括一組相同厚度的葉盆電極與葉背電極和一組余量的葉柵。整體葉盤的葉型粗加工所預(yù)留的余量需在葉片表面均勻包絡(luò)，應(yīng)在滿足電解加工整平厚度的基礎(chǔ)上，盡量減少余量。

表1 不同余量組合的仿真結(jié)果

經(jīng)仿真干涉檢測(cè)得知，厚度6.0 mm電極在余量2.0 mm葉柵通道中的通過性極好。6.5 mm葉盆電極與6.5 mm葉背電極能在X1、X2軸直線滑枕的帶動(dòng)下，配合裝夾在Z密集葉柵、C軸旋轉(zhuǎn)、Y軸平移下運(yùn)動(dòng)至余量2.0 mm的葉柵間隙內(nèi)。

路徑規(guī)劃前，葉盆電極、葉背電極和余量葉盤的關(guān)系見圖10a；路徑規(guī)劃后，葉盆電極、葉背電極和余量葉盤的關(guān)系見圖10b。

圖10 電解加工路徑規(guī)劃結(jié)果

4 結(jié)束語

本文針對(duì)目前電解加工大扭轉(zhuǎn)角自由曲面的密集型整體結(jié)構(gòu)葉柵存在電極對(duì)葉片覆蓋性不好、型面易出現(xiàn)負(fù)角度倒鉤、葉柵通道狹窄、電極通過性不好等問題，在陰極設(shè)計(jì)過程中采取了一系列技術(shù)措施。采用優(yōu)化電極進(jìn)給方向與優(yōu)化電極型面相結(jié)合的方式，配合五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床增加電極加工型面的覆蓋性；以實(shí)際需要承受電解壓力的電極厚度為基礎(chǔ)，預(yù)先設(shè)計(jì)多組電極和不同余量的葉片余量，用3D模型進(jìn)行防碰撞、防干涉的檢測(cè)和精確的電極運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃，逆向?qū)ふ易罴训暮穸扰c余量的參數(shù)組合，保證電極在葉柵通道的通過性。

在UG軟件防干涉檢測(cè)模塊預(yù)先設(shè)置0.1 mm的間隙，優(yōu)化電極能在五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床驅(qū)動(dòng)下順利運(yùn)動(dòng)至最終電解加工位置。電極良好的通過性驗(yàn)證了電極進(jìn)給方向和加工型面共同優(yōu)化的方式，有效解決了葉片自由曲面覆蓋性不好等問題。以最小電極厚度為基礎(chǔ)，逆向?qū)ふ译姌O厚度與加工葉片余量的方式，不僅縮短了電極設(shè)計(jì)和路徑規(guī)劃的時(shí)間周期，還節(jié)省了大量實(shí)際試驗(yàn)投入。

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Cathode Structure Designing for Electrochemical Machining of Integral Blade Lattice with Large Torsion Angle and Free-Form Surface

Chu Yucheng，Zhang Mingqi，Cheng Xiaoyuan，Lei Tingling
（AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institude，Beijing 100024，China）

This paper demonstrates the method of optimizing cathode structure for electrochemical machining process of intensive integral blade lattice with large torsion angle and free-form surface.For this kind of special structure of the whole component，the traditional milling can not meet the requirement，but currently ECM also exists some problems.Machining surface of cathode cannot cover free curved blade and is easy to appear negative angle bard.Channel of integral blade lattice is so narrow that cathode cannot pass.In view of the existing problems，the article uses the optimization of the cathode feed direction and machining surface of cathode to improve the processing coverage and the accuracy of blade.In the presence of narrow of blade lattice，with the help of interference detection and precise path planning，taking the minimum thickness of cathode as initial value and designing several kinds of parameters about thickness of cathode and allowance of integral blade lattice in the article aims at improving the electrode passing ability.Through simulation，the result is very good.It indicates that the method of optimizing both electrode feed direction and machining surface of cathode is effective and reversely looking for parameters combination，not only can effectively shorten the designing time，but also deduce the large number of extensive practical tests.

ECM；designing for cathode；large torsion angle；integral blade lattice

TG662

A

1009－279X（2016）05－0037-05

2016-03-04

褚玉程，男，1986年生，碩士研究生、助理工程師。